基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法

王孟法，韓　興，方義平，丁鐵恒（中國石油集團鉆井工程技術研究院　康布爾公司，北京102206）

基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法

王孟法，韓興，方義平，丁鐵恒
（中國石油集團鉆井工程技術研究院康布爾公司，北京102206）

在進行井架承載能力評定時，現有的檢測方法存在諸多不足。結合現有計算機圖片處理功能，設計了一套基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法。與現有的電測法得到的井架應變測量結果對比，基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法的測量結果精確、可靠。此測量方法減輕了勞動強度，提高了工作效率，解決了現有井架承載能力評定工作中應變測量方法存在的不足。基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法為井架承載能力評定提供一種新的應變測量方法，對更加科學、合理、全面地評定鉆修機井架的承載能力具有實用價值。

井架；應變；數字散斑相關法；測量

井架是鉆修井設備的重要組成部分，其安全承載性能直接影響著石油、天然氣的勘探、生產作業。為了保障井架的使用安全，根據中國石油集團公司管理制度和行業標準，需定期對在役井架進行檢測評估［1］。現有的常規井架檢測評定方法為電測法［2］，其檢測方法存在勞動強度大、低溫環境適應性差、測量數據有限，不滿足防爆要求等諸多問題［3-6］。結合現有強大的計算機圖片處理功能及視覺原理，設計了一套基于數字散斑相關法的井架應變測量方法，能夠更加科學、合理地測評鉆修井架的承載能力。

1　數字散斑相關法

數字散斑相關技術也就是數字圖像相關技術（Digital Image Correlation Technique，DIC），它是利用數字相關方法來分析受載荷作用下的試樣表面數字圖像（物體表面的隨機分布的散斑點記錄在數字圖像中）數據［7-9］。它不同于干涉測量方法（如激光全息法、電子散斑法），數字散斑法具有簡單、測量環境要求低、光源要求低（激光、普通自然白光或者普通照明均可）、測量范圍可以任意制定等特點。

數字散斑相關法測量變形的關鍵問題是對兩散斑場（變形前的參考散斑場以及變形后的散斑場）進行相關運算。物體變形前后的兩個散斑場的光強分別可表示為I1（xi，yi）和I1（xi，yi），xi=xi+u（x，y），yi=yi+v（x，y）。假設散斑位移場為u （x，y）和v（x，y），則變形前散斑圖上任一點（x，y）的光強與變形后的散斑圖上位于（x+u（x，y），y+v（x，y））的光強相對應。以場中某一點P0為中心取子集Su，設其大小為m×m個像素，則子集Su就記錄了點P0周圍隨機分布的斑點光強信息，定義為二維樣本空間。產生位移后，原來子集Su內的斑點就位于子集Sd內相應位置，與原斑點一一對應，構成另一樣本空間。按概率與統計原理分析可知，兩樣本完全相關時，相關系數為1，若有變形，相關系數會相應下降，因此物體的位移量就可通過找出最大相關系數的點的位置確定。當散斑場發生位移時，首先在變形場前的散斑圖上選定能反映待測位移信息的子區，然后在變形后的相關區域內利用相同大小的子區作相關搜索，找出最大的相關點的位置，兩點的坐標位移差值就是待測點的變形位移。

2　測量系統構成

基于數字散斑相關法的井架應力應變測量系統由CCD攝像鏡頭、三角架、數據線、采集卡、筆記本電腦（包括圖像處理軟件）、激光測距儀組成，如圖1。

1）CCD攝像鏡頭用于采集測量對象的數字圖片。

2）采集卡實現數字圖片CCD鏡頭到電腦的輸送。

3）激光測距儀實現各測點與CCD鏡頭間的距離及CCD傾角測量，及便計算CCD鏡頭視角像素與實體間的關系。

圖1　基于數字散斑相關技術的井架應力測量系統

3　現場測量驗證

目的：驗證基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法的可行性；對比現有常規方法（電測法）與此測量方法測量結果；驗證此測量方法優缺點。

基于數字散斑相關技術的井架應變測量指導思想為：測點1與測點2的垂直位移差為測點1與測點2之間桿件長度的位移疊加（如圖2）。測得兩測點的位移關系與兩測點間的長度比值，可得該桿件的應力應變。

圖2　川慶鉆探某J450／45-K型井架視頻測點

以川慶鉆探某JJ450／45-K型井架為例，驗證該測量系統的性能。基于視頻測量的測試點選擇如圖2所示，為了驗證系統測量的精確性，在桿件測點1與測點2、測點2與測點3、測點3與測點4、測點4與測點5間分別布置了應變片測點1、2、3、4。在階梯鉤載［10］（100、500、1000、1400 kN）作用下，視頻測量系統測試的部分測點像素變化曲線見圖3。在幾種鉤載作用下2種測量系統測量的應變值如表1及如圖4～7所示。

圖3　視頻測量系統測試的測點1～5位移像素變化曲線

表1　兩種井架應力應變測試系統測量的應變值　με

圖4　視屏法測點1-2與應變法測點1測試對比

圖5　視屏法測點2-3與應變法測點2測試對比

圖6　視屏法測點3-4與應變法測點3測試對比

圖7　視屏法測點4-5與應變法測點4測試對比

從表1及圖4～7，通過測試結果對比，得出以下結論：基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法測試的井架桿件應變值與傳統方法應變片測試法測試的應變值基本一致。基于現有的電測法測量結果是準確、可靠的。說明基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法測試的井架應變準確、可靠。

現有電測法測試流程包括選點、布線、打磨、清洗、貼片、測試，準備工作需要2h，而使用基于數字散斑相關技術井架應變測量方法測試流程包括位置選擇、選點、鏡頭高試、測試，準備工作只需0.5～1.0h［11-14］，大幅提高了工作效率。基于數字散斑相關技術井架應變測量方法，在測量井架桿件應力應變過程中，無需在井架測點布置數據線，減輕了勞動強度；同時，數字散斑相關法井架應力應變測量系統，理論上可選擇無數多個點，使用井架應力應變測量更加全面、科學。

4　結論

1）為了更好的測試、評價在役井架的承載能力，研制了基于數字散斑相關技術的井架應變測量系統。

2）與傳統的應變片電測方法比較，基于數字散斑相關技術的井架應變測量方法的測試結果更準確、可靠，提高了井架承載能力測評工作效率、減輕了勞動強度。解決了現有電測法檢測過程中存在的不足。

3）基于數字散斑相關法的井架應力應變測量系統為井架承載能力評定提供了一種新的測試方法，對更加科學、合理地測評鉆修井架承載能力具有實用價值。

［1］SY／6326—2012，石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規范.［S］.2012.

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［10］SY／6326—2012，鉆機修井機井架承載能力評定及分級規范［S］.

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Derrick Strain Measuring Method Based on Digital Speckle Correlation Technique

WANGMengfa，HAN Xin，FANG Yiping，DING Tieheng
（Kembl Petroleum Technology Co．，Ltd．，DRI of CNPC，Beijing 102206，China）

Against the existing detection of measuring method for an existing derrick bearing ca-pacity assessment.Combined powerful computer graphics processing capabilities，design a measur-ing method of derrick strain based on digital speckle correlation technique.Through comparing derrick strain measuring on site with Electrical Measuring method，can be conclude that the meas-uring results from measuring method of derrick strain based on digital speckle correlation tech-nique are accurate and reliable.At the same time，this measuring method reducing the labor inten-sity largely，improving the work efficiency.Solved the existing problems of derrick measuring method in the presence.Providing a new strain measuring method for derrick bearing capacity e-valuation，having important practical value for derrick bearing capacity assessment on more scien-tific，rational，comprehensive.

drilling derrick；strain；digital speckle correlation method；measuring

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.016

1001-3482（2015）12-0063-04

2015-08-08

中國石油天然氣集團公司科技發展部科研項目“鉆井新裝備新工具研制”之子課題“井架多參數測量及評定系統研制”（2011B—4306）

王孟法（1984-），男，山東菏澤人，工程師，碩士，2010年畢業于長江大學機械設計及理論專業，現從事鉆修井設備評估及相關技術研究，Email：kembl＿wmf＠126.com。